毕业论文 高分辨率纯相位液晶空间光调制器的研究.pdf

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1、大连理工大学硕士学位论文摘要液晶空间光调制器在实时光学信息处理、光计算和光学神经网络等系统中作为基本的构造单元或关键的主动器件，在光学相关、光互连、数字图像加密、数字全息、激光波前整形等领域有着广泛的应用。随着全息存储、全息显示等光信息技术的不断发展，为提高系统的信息处理能力，对纯相位液晶空间光调制器的分辨率提出了较高的要求。本文以此为出发点，从以下几个方面进行了研究：简单介绍了液晶空间光调制器的发展及研究现状，从琼斯矩阵理论，液晶电光特性及薄膜场效应晶体管扭曲向列型液晶屏结构及寻址特点等方面分析了电寻址液晶空间光调制器实现振幅及相位调制的基本原理。根据所选用的高分辨率液晶屏的驱动结构和电光调

2、制特性，在实验室原来设计的S V G A 液晶空间光调制器基础上，保留其单片机控制模块和视频信号处理模块，重新设计视频信号驱动电路和时钟发生电路，同时调整寄存器参数设置，以适合高分辨率液晶屏的驱动条件。运用马赫曾德干涉仪对设计完成的高分辨率液晶空间光调制器进行相位调制特性和幅度调制特性测量。首先介绍测量光路和通过干涉图进行相位测量的方法，然后通过调整偏振片的取向，找出最大相位调制状态，在这种状态下对强度调制量进行测试，看是否满足纯相位调制的要求，对所测数据处理，绘制出调制器的相位和强度调制特性曲线。将所设计的高分辨空间光调制器作为相移器件用于数字全息实验，用相移法记录物体的率全息图并通过计算机

3、重构，并得到了较好的结果，表明其在全息等光信息处理领域的应用价值。关键词：液晶空间光调制器；高分辨率；纯相位调制；强度调制；液晶屏驱动电路高分辨率纯相位液晶空间光调制器的研究R e s e a r c ho nh i g h-r e s o l u t i o np h a s e o n l yl i q u i ds p a t i a ll i g h tm o d u l a t o rA bs t r a c tA st h eb a s i cb l o c k sa n dt h ea c t i v ec o m p o n e n t si nr e a l t i m eo

4、 p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n g,o p t i c a lc o m p u t i n ga n do p t i c a ln e u r a ln e t w o r ks y s t e m，l i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o rh a sw i d ea p p l i c a t i o ni nt h eo p t i c a lc o r r e l a t i o n，o p t i c a li n t e r c

5、 o n n e c t i o n,d i g i t a li m a g ee n c r y p t i o n,d 姆t a lh o l o g r a p h y,l a s e rw a v e-f r o n ts h a p i n g A sh o l o g r a p h i co p t i c a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yc o n t i n u e st oe v o l v e，i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e m Si n f o r m a t

6、i o np r o c e s s i n ga b i l i t y,p h a s e-o n l yl i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o rr e s o l u t i o np u tf o r w a r dah i g h e rd e m a n d T h em a i np o i n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s：Ab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h el i q u i dc r

7、 y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o rd e v e l o p m e n ti sg i v e n B a s e do nt h eJ o n e sm a t r i xt h e o r y，l i q u i dc r y s t a le l e c t r o-o p t i c a lp r o p e r t i e sa n dt h i n-f i l mf i e l de f f e c tt r a n s i s t o rl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y,a

8、 m p l i t u d ea n dp h a s em o d u l a t i o no fl i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o ra r ea n a l y z e d A c c o r d i n gt ot h ed r i v es t r u c t u r ea n de l e c t r o o p t i c a lm o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh i g h r e s o l u t i o

9、 nL C Ds c r e e n b a s e do nt h eo r i g i n a lS V G Al i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o rd e s i g n e db yo u rl a b o r a t o r y,r e t a i n i n gt h eS C Mc o n t r o lm o d u l ea n dv i d e os i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l e，r e-d e s i g n i n gt h ec i

10、 r c u i to fv i d e os i g n a la n dc l o c ks i g n a l，a d j u s t i n gt h er e g i s t e rp a r a m e t e rs e t t i n g st os u i tt h ed r i v i n gc o n d i t i o n sf o rh i g h-r e s o l u t i o nL C Ds c r e e n P h a s em o d u l a t i o na n da m p l i t u d em o d u l a t i o nc h a r

11、 a c t e r i s t i c sm e a s u r e m e n t sa r ec o m p l e t e db yt h eM a c h Z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r F i r s t，i n t r o d u c i n gt h eo p t i c a lp a t ha n dm e a s u r e m e n tm e t h o d，a n dt h e nb ya d j u s t i n gt h ep o l a r i z e ro r i e n t a t i o n，t of i

12、 n dt h el a r g e s ts t a t eo fp h a s em o d u l a t i o n，i nt h i ss t a t e，i n t e n s i t ym o d u l a t i o ni st e s t e dt os e ei fi tm e tt h er e q u i r e m e n t so fp h a s e-o n l ym o d u l a t i o n P r o c e s s i n gd a t am e a s u r e d，d r a w i n go u tt h ep h a s ea n di

13、 n t e n s i t ym o d u l a t i o nc u r v e so fp h a s e o n l yl i q u i dc r y s t a ls p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r S p a t i a ll i g h tm o d u l a t o ri su s e di nt h ed i g i t a lh o l o g r a p h i ce x p e r i m e n ta sp h a s e-s h i f td e v i c e，t h e nt h eh i g h-r e s

14、o l u t i o nh o l o g r a mp i c t u r er e c o r d e di sr e c o n s t r u c t e db yc o m p u t e ra n dac l e a rp i c t u r eo ft h eo b j e c ti sg a i n e d T h er e s u l ts u g g e s t st h a tt h eh i g h r e s o l u t i o np h a s e o n l yl i q u i ds p a t i a ll i g h tm o d u l a t o

15、rh a sw i d ev a l u ei no p t i c a li n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e m K e yW o r d s：L i q u i dC r y s t a lS p a t i a lL i g h tM o d u l a t o r；H i g h-R e s o l u t i o n；P h a s e-O n l yM o d u l a t i o n；I n t e n s i t yM o d u l a t i o n；D r i v i n gC i r c u i to f

16、L C DI I 大连理T 大学硕士学位论文1绪论1 1空间光调制器介绍空间光调制器(S p a t i a lL i g h tM o d u l a t o r-S L M)是指通过加载控制信号来改变输入光信号的振幅、相位或偏振态等光参量，实现对光信号的空间分布进行调制的器件。这类器的主要特点就是能够将信息加载在一维或者两维的光学数据场上，充分的利用光的固有速度、并行性和互连能力，因此成为构建实时光学信息处理，光计算和光学神经网络等系统的基本构造单元和关键的主动器件，广泛应用于自动模式识别【l】，光学数字混合相判2 训，以及高速光互连【5】、光逻辑运算和阀值开关等领域。图1 1 空间光调制

17、器示意图F i g 1 1S c h e m a t i cd r a w i n go fS L M空间光调制器的简单示意图如图1 1 所示。与对光的“整体”进行作用的一些调制器不同，空间光调制器包含许多阵列式排列的独立单元，每个单元都可以在写入的控制信号作用下对光信号进行调制，因此可以形成随二维坐标变化的振幅、相位、波长、偏振太等光参量的分布。控制这些单元的信号称为“写入信号；射入器件的光波称为“输入光”；经过空间光调制器调制后的输出光波称为“输出光。目前空间光调制器的种类繁多，主要有微通道板、可变形反射镜阵列、磁光器件、声光器件、多量子阱等四十多种。液晶空间光调制器作为其中一种，是基于液

18、晶分子电致双折射效应的有源数字光学器件，其受控单元为独立的像素单元，在空间上排列成一维或者二维阵列，每个单元可独立接收光信号或电信号等控制信号，可对输入光波进行一一一一一一高分辨率纯相位液晶空间光调制器的研究像素级的调制，灵活改变光波的波前。且由于其具有低功耗、小型化、可实现程序控制、易实现对光波的相位调制等特点而得到广泛的应用。1 2 液晶空间光调制器的发展及研究现状液晶空间光调制器的发展是伴随着液晶和液晶显示而发展的。液晶【6】是液晶显示的核心，也是液晶空间光调制器的核心。从奥地利植物学家R e i n i t z e r 于1 8 8 8 年从显微镜发现液晶后的大半个世纪，由于其应用前景

19、相对缺乏，因此并未受到广泛的研究。直到上世纪6 0 年代，W i l l i a m s 和H e i l m e i e r 相继发现第一个液晶电光效应一W i l l i 锄s 畴和动态散射效应，液晶显示开始发展起来。7 0 年代，伴随着M O S T F T 和C M O S 集成电路、透明导电薄膜、纽扣电池等技术的发展，液晶显示应用于计算器、手表等电子产品。1 9 7 2年，S c h a d t 和H e l f r i c h 发现扭曲向列相液晶显示，1 9 7 4 年G r a y 发现晴基联苯液晶，扭曲向列液晶显示开始得到广泛应用。在它的影响下，于8 0 年代相继出现了铁电液晶

20、显示、超扭曲液晶显示和反铁电液晶显示等。此外，美国的L e c h n e r 于1 9 7 1 年首次提出用有源矩阵驱动液晶显示，这种驱动方式能够很好的解决以往液晶显示在驱动方面的问题(串扰，交叉效应等)，使得非晶硅T F T 液晶显示在9 0 年代后大量进入实用，且应用领域更加广泛，诸如笔记本电脑，计算机显示器，液晶电视等。较早的液晶空间光调制器就是基于液晶电视的，随着液晶显示技术的成熟和液晶电视的商用化，人们便开始利用它作为空间光调制器来研究，尤其在利用其实现纯相位调制方面。L幅度-_ 一奶厂相位卜。厂，J 夕v l1|2电压图1 2N K o n f o r t i 等人研究的液品调制

21、特性F i g 1 2N K o n f o r t i Sr e s e a r c ho nM o d u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fL C1 9 8 8 年，N K o n f o r t i 等人【7 1 在总结前人实验的基础上，提出扭曲向列型液晶可以实现纯相位调制。他们认为当给液品分子施加外加电压时，若外加I 乜压值高于弗雷德罩克大连理工大学硕士学位论文兹改变阈值电压(F r e e d e r i c k s zt r a n s i t i o nt h r e s h o l d)但是低于光学改变阈值电压(O p t i

22、c a lt r a n s i t i o nt h r e s h o l d)时，分子将呈现出沿着电场方向排布的趋势，自身的扭曲状态不变。在这个电压范围内，相位改变主要受到液晶分子的有效双折射效应的影n l h J(E f f e c t i v eb i r e f r i n g e n c e)。图1 2 是他们得到的实验结果，可以看到在液晶屏两端电压低于阈值电压V l 时，几乎没有强度和相位调制，当所加电压在v 1 和V 2 之间时，发生L E 较大的相位调制而强度几乎不发生变化，继续增大电压，当它超过阀值电压V 2 之后，液晶对光波将发生较大的强度调制且伴有一定程度的相位调制。

23、由此可知，只要合理控制电压方位，扭曲向列液晶便可以实现纯位相调制，用这种液晶制造的液晶电视可以在某些情况下制作纯相位液晶空间光调制器。为了解决液晶电视为获得好的图像显示效果而设计，主要产生强度调制同时伴有相位调制而不能获得好的纯相位调制，而纯相位空间光调制器要求相位调制时不能伴随强度变化且要有较大的透射率的问题，很多人从纯相位调制特性方面的测试以及与其配套的光学系统优化设计等方面作了大量的工作。K a n g h u aL u【8】等人于1 9 8 9 年便对液晶电视的结构及其作为空间光调制器的可行性和工作原理进行了分析和阐述。他还阐述了液晶屏的分层模型，把液晶电视分成若干层，每一层可看作是各

24、向同性的单轴晶体，这样每一个薄的液晶层都可用一个琼斯矩阵来表示，整个液晶电视的琼斯矩阵是各层琼斯矩阵连乘，这个矩阵包含了液晶电视随着电压和偏振态的不同对光波强度和相位调制的信息。J L P e z z a n i t i 9】和R A C h i p m a n 于1 9 9 3 年在实验光路中引入四分之一波片，并运用M u e l l e r 矩阵进行计算分析，证明了在一定电压范围内液晶电视可以实现纯相位调制。J e f f r e yA D a v i s 1 0，l l】等人于1 9 9 8 年在理论上得到了特征偏振态的表达方法，特征偏振态可以用两个四分之一波片和两个偏振片获得，它是一种

25、椭圆偏振光，他们目前应用S o n y公司的L C X 0 1 2 A L 扭曲向列型投影仪液晶屏制作空间光调制器达到了接近2 万的相位调制范围，期间强度变化可控制在5 之内。胡晓改【1 2,1 3】等人与2 0 0 1 年对采用较薄的T N液晶显示器件实现纯相位调制的可能性进行了分析，并且采用重新设计驱动电路的方法获得了大约1 8 万的相位调制量。V D u r a n 等人于2 0 0 6 年提出了等倾角偏振态法，其椭圆率随外加电压变化，他在实验中只用到一个四分之一波片，并取得了很好的实验结果。1 3 液晶空间光调制器的分类及纯相位调制液晶空间光调制器种类很多，通常有以下几中分类方式：按照

26、写入信号既控制信号的不同，可分为光寻址【1 4 1 5 1 和电寻址【1 6 1 7 1 两类。光寻址主要由模拟的非像素单元构成，大多用作光光转换器件；电寻址类型主要由独立的像素单元构成，大多作为电光实时接口器件来使用，这样，从应用角度又可以将调制器分高分辨率纯相位液晶空问光调制器的研究为模拟和数字两大类。电寻址空间光调制器能够将光学信息处理与计算机、多媒体等电子技术结合起来，组成光电混合的处理系统，因此成为应用最广泛的空间光调制器类型。按照输出光的输出方式的不同，可分为反射型和透射型两种。透射型稠制器的输入光和输出光分别位于器件的两侧。反射型的输入光和输出光位于器件的同侧，器件本身有一个反射

27、面，当输入光波接触到反射面后被反射，作为输出光在同侧输出。按照调制器所调制得光波参量的不同，S L M 又可分为振幅型、相位型和复合型等。振幅型空间光调制器仅调制输入光波的振幅分布，而不影响其他光参量，是纯振幅(强度)调制器件；相位型空间光调制器仅调制输入光波相位分布，不改变其他光参量，是纯相位调制器件；复合型调制器既可以实现振幅调制又可以实现相位调制。矿输 光像素单元r 二二IL|l|削13 纯相位润制示意蚓F i g1 3S c h e m a t i cd i a g r a m o f p h a s e o n l y m o d u l a t i o n研制的空间光调制嚣是一种电

28、寻址的纯相位透射式液晶空间光调制器，如图1 3 所示。输入平面光波从S L M 一侧入射，在控制信号作用下，每个像素单元都独立地对光波进行调制，经调制的光波从S L M 另一侧输出，输出光波的波前相位在0 -2 范围内变化而强度则保持不变，这是理想的纯棚位调制。实际上，光波的相位调制范围和强度变化受到许多因素的影响，诸如输入光的偏振状态，液晶盒的厚度，表面分子的倾角等，因而很难达到理想的纯相位调制状态，只能将十同位和强度变化控制在所要求的一定范围之内。一一一一一一大连理T 大学硕十学位论文1 4 本文研究的目的和主要内容在诸多液晶空间光调制器中【1 8】，用薄膜场效应晶体管扭曲向列液晶盒制作的

29、调制器占有很大比例。显示模式指显示器件的性能，特别指最大色彩数以及最大图像分辨率，主要有V G A、S V G A、X G A、S X G A、U X G A 等模式。目前，市场上大部分T F T L C D(t h i nf i l mt r a n s i s t o rl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y)液晶空间光调制器为V G A(最大分辨率为6 4 0 4 8 0)和S V G A(最大分辨率为8 0 0 6 0 0)模式。X G A(最大分辨率为1 0 2 4 7 6 8 _)模式的液晶空间光调制器由于价格相对昂贵，达到上万美元，致使应用受到

30、很大限制。利用商用液晶屏设计液晶空间光调制器可大大降低成本。由于商用液晶投影系统是生产厂家为专门的显示用途设计，并不能实现纯相位调制，因此必须对其进行改造。改造的方法主要有两中，一种是通过调节光学系统参数：如液晶屏液晶分子的扭曲角、表面液晶分子方向、双折射参量等达到满意的相位调制特性，这种方法可以获得较好的调制特性但设计复杂，有时甚至需要重新设计液晶盒。另一种是从驱动电路出发，根据液晶屏电光调制特性，放宽液晶屏所加电压，找到实现纯相位调制的驱动电压范围，达到纯相位调制的目的。本文正是采用后者，在参考实验室原来设计的S V G A 型分辨率的纯相位液晶空间光调制器驱动电路的基础上，结合高分辨率商

31、用屏的驱动电路特点，设计出具有低成本，低功耗，纯相位，高分辨率的液晶空间光调制器。本文的主要内容安排如下：(1)第二章中，首先论述了研制纯相位液晶空间光调制器的基本理论，包括液晶的电光特性，电寻址原理和实现纯相位调制的理论分析三个部分。我们所设计的空间光调制器采用的是扭曲向列相液晶，因此在介绍了液晶材料的结构及特征的同时，详细阐述了向列相液晶的电控双折射效应和扭曲向列相液晶盒的电场效应和工作原理。此外，我们介绍了液晶空间光调制器的电寻址原理，简单分析了无源矩阵寻址存在的问题，同时，对薄膜场效应晶体管驱动的有源矩阵寻址原理做了详细的阐述，这是调制器能够实现对光波的空间分布及进行像素级控制的基础。

32、然后介绍了液晶盒外加电压与调制特性的关系，并运用琼斯矩阵理论分析了T F T L C D 能够实现纯相位调制的理论基础。(2)第三章中，以高分辨率液晶屏所需要的驱动条件为出发点，详细介绍了驱动电路的实现过程，从总体上给出硬件结构。驱动电路的主要输入信号就是视频信号和同步信号，我们以这两种信号的处理过程为主线，介绍了各个模块的功能及硬件电路连接。要使整个硬件驱动电路能够正常工作，软件的设汁是必不可少的部分，其中最主要的就是对各个芯片寄存器参数的设置。由于各个芯片的寄存器参数是通过巾片机控制的，因此还介绍了单片机系统对1 2 C、I S P 总线的控制以及各芯片对寄存器数掂的写入要求。高分辨率纯相

33、位液晶空间光调制器的研究(3)第四章中，阐述了运用马赫曾德干涉装置对所研制的高分辨率纯相位空间光调制器的调制特性进行测量的过程及结果。首先给出了测量光路的结构，说明其工作原理和工作过程。然后简单介绍了衍射谱最小能量法测量相对移动的干涉条纹的过程，最后运用M A T L A B 对测量的数据进行处理，绘制出相位调制特性曲线，并给出纯相位调制状态时的强度变化曲线，分析了测量结果。(4)第五章中，我们将所研制的调制器用于相移数字全息实验，作为相移器改变参考光波的相位。这一部分首先介绍了全息理论和基本知识，然后介绍了实验装置结构及信息的记录过程，用空间光调制器作为相移器实现物体数字全息图像的重构。大连

34、理工人学硕+学位论文2 纯相位电寻址液晶空间光调制器研制基础2 1液晶的电光特性2 1 1 液晶材料结构及特征液晶(L i q u i dC r y s t a l)是一种有机化合物，具有液体的流动性和连续性，在分子排列上又具有晶体的有序性。液晶态是物质的状态之一，其特征是具有取向有序。液晶最早由奥地利植物学家R e i n i t z e r 1 9】于1 8 8 8 年从显微镜中观察发现，至今已有1 0 0 多年。其实液晶并不罕见，液晶材料的种类较多，到2 0 世纪未就已经发现了5 万多种物质呈液晶相。液晶的种类虽然很多，但根据分子排列的有序性来区分，都可以分为向列相(N e m a t

35、i cP h a s e)、胆甾相(C h o i e s t e r i cP h a s e)和近晶相(S m e c t i cP h a s e)三大类。这三种相态的液晶结构如图2 1 所示。掷皂岛蟀图2 1向列相、近品相和胆甾相液晶结构示意图F i g 2 1T h es c h e m eo f n e m a t i c、s m e c t i ca n dc h o l e s t e r i cl i q u i dc r y s t a l近晶相液晶是由棒状或条状分子组成，具有二维有序性，分子排列呈现若干层，分子的长轴与所在层平面垂直或倾斜，层的厚度与分子的长度相等，层内的

36、分子排列整齐，分子的长轴相互平行，重心在同一平面上。层与层之间可以滑动，但分子只能在层内前后、左右滑动而不能在上下层之间移动。近晶相液晶的粘度和表面张力都比较大，对外界电、磁、温度等的变化不敏感。胆f 型液晶是由胆甾醇衍生出来的液晶，分子呈扁平形状，排列成层，在同一层中的分子排列方向相同，分子长轴平行于层平面，各层中分子排列方向发尘一定的偏转，相邻两层分子长轴彼此有一轻微扭角(约1 5 分)，多层扭转成螺旋形，旋转3 6 0 0 的层问距离称为螺距，螺距大致与可见光波长相当。温度对胆f 相液晶影响较大，能引起其高分辨率纯相位液晶空间光调制器的研究螺距发生变化，而它的反射光波长与螺距有关，因此在

37、不同的温度下，这种液晶的颜色也会不同。在一定强度的电磁场的作用下，胆 相液晶可以转变为向列相液晶。向y w J 十f l 液晶是应用于液晶显示中最主要的一类。本文所设计的液晶空间光调制器所用的液晶既属于此类。如图2 2 所示，在向列型液晶中，液晶分子彼此倾向于平行排列，单位矢量n 是平行排列的从优方向，称之为指向矢。它实际上是宏观无穷小，微观上是一个局部空间中相当多分子的从优方向，是衡量液晶分子整体取向的宏观物理量。此类液晶没有近晶相液晶的层状结构，不具有平移有序性，除了棒状或条状分子长轴方向沿同一方向排列之外，其它完全无序。但其分子能上下、左右、前后滑动，相互间的作用比较微弱，分子的排列和运

38、动比较自由，因此对外界条件比较敏感。它的最大特点就是在磁场、电场、表面力和机械力的影响下，分子排列倾向同一方向。图2 2向列相液晶分子排列及指向矢示意图F i g 2 2T h es c h e m eo f n e m a t i cl i q u i dc r y s t a la n dv e c t o r显示用液晶大多由棒状或条状的液晶分子组成，彼此平行排列且其长轴方向与指向矢方向相同。液晶指向矢的空间分布主要受到液晶的介电常数、弹性常数、外加电压和边界条件等影H I 匈，而液晶空间光调制器就是通过外加电压控制液晶指向矢分布来实现所要求的波前变化特性。2 1 2 向2 j l J 相

39、液晶的电控双折射效应液晶的电光效应种类很多，诸如扭曲向列效应、动态散射效应、电控双折射效应、混合场效应等等，其中电控双折射效应和扭曲向列效应对于液晶空间光调制器起主要作用。由于液晶分子在形状、介电常数、折射率及电导率等方面具有各向异性的特点，对其施加电场后，分子指向矢空间分和发生变化，其光电特性也会发 t-变化，液品显示器件及我们所没计的液晶空间光调制器币是利用了液晶的这种特性。大连理工人学硕十学位论文要理解液晶的光电特性【2 0】，首先要知道介电点各向异性的概念。在麦克斯韦电磁场理论中，用介电常数s 来表征物质的极化状况。若用占。和占分别表示电场与指向矢平行和垂直时液晶的介电常数，则可定义液

40、晶的介电各向异性为：A 62s-一q(2 1)如果占 0，则为P 型液晶，具有正的介电各向异性；面1 O 一)2+(y y o)2】乙条件时，即可以利用菲涅尔衍射定理得到像面上的物体数字再现像的复振幅分布：蚴，：竿胁州十云c ，z 扣慨4，u()：掣e x p 罢(r z A x l 2+s 2 缈1 2)】7 口A，Z N，2M，2(研，1)(5 5)。蚤胁互，：e X p 粤(优z 缸z+，z：缈z)一(朋敏血l+甩p 每1)】)以Z 大连理工大学硕十学位论文其中m，。为再现像的分辨率，也即采样间隔，=0,1，M 一1，s=O，1 一N 一1，。：鱼：鱼，1。：鱼：堕。”M A xL。dj

41、 川N 姆L。d这样，数字全息的记录和再现过程可以通过数学模型的形式建立起来。数字全息由于用电子成像器件代替全息干板来记录全息图，它既有传统全息技术可以同时记录及再现物波振幅和相位信息的优点，又可以避免化学湿处理等的操作【4，能够实现图像的实时处理。又由于它具有以干涉图的形式记录物光的完整信息的独特优势，使其在全息存储、全息显示和全息光学元件等领域取得了广泛的应用。5 2 相移数字全息原理相移数字全息术(P h a s e s h i f t i n gd i g i t a lh o l o g r a p h y)是指在全息图的记录过程利用相移装置使参考光波或者物光光波产生相位变化，用C

42、C D 记录不同相位时的参考光、物光及相应的全息图等信息并存储于计算机中，通过矩阵运算等对这些信息进行处理，根据干涉原理等计算得到物光波的复振幅分布，这样就可以由菲涅尔衍射定理等得到物体的再现像。由此可知，相移数字全息术是在数字全息术原理基础上在记录过程中使用了相移技术，能够直接恢复物光波振面，得到物光波振幅和相位的完整信息，因此在形变分析，微结构检测、计算全息及图像信息加密等领域有着重要的应用意义。相移数字全息根据对参考光波或者物光波相移次数的不同，其记录的信息数量也不同，相应的算法也不同。目前主要的算法有四步算法、三步算法和单次相移算法等。这几种算法在基本原理上都是相同的，其目的都是为了能

43、够根据所记录的信息得到物光的复振幅分布。本文实验中采用了单次相移数字全息技术【4 2】，这早以它为例来介绍求取物光复振幅的数学过程。仍沿用图5 1 所示的坐标系，假设在参考光路中加入了相移装置分别使参考光波产生0 和2 的相移量。设初始参考光波复振幅为尺，物光波的复振幅为D。则在0 和2 两种情况下全息面上参考光波的复振幅分别表示为：R o=R(5 6)石R l=R e j j=j R(5 7)由式(5 1)的干涉光波强度记录公式得N-个相移状态下的全息图表达式为：I o(X，Y)=IO(x，Y)1 2+IR(x，Y)|2+D(x，y)R(工，y)+R(x，y)O(x，Y)(5 8)，。(x，

44、Y)=IO(x，Y)1 2+IR(x，Y)1 2+j O(x，y)R(x，Y)一j R(x，y)O(x，Y)(5 9)高分辨率纯相位液品空间光调制器的研究为了求得物光波复振幅O(x，Y)，还要知道物光和参考光的光强信息，分别接收就可得到的光强图样，分别表示为：1 2(x，y)=I O(x，J，)1 21 3(x，y)=I R(x，y)1 2只需用C C D(5 1 0)(5 1 1)联立式(5 8)(5 9)(5 1 0)(5 1 1)四式，可得：O(x,y)：坠生型等幽(5 1 2)Z 通过计算机模拟原始参考光波R(x，)，)，就得到物光波的复振幅。再现过程与数字全息过程相同，利用菲涅耳算法

45、或卷积算法，用相同的参考光对(5 1 2)式进行衍射逆运算【4 3】，就可以得到再现像的复振幅分布，进而得到原物体的再现像。5 3 空间光调制器作为相移器实现对物体全息像的再现利用空问光调制器作为相移器的数字全息实验光路与测量调制特性的光路基本相同，只需将物体放在物光光路中。为清楚的理解全息的过程，我们将图4 1 测量调制特性的光路中加入物体，重新画出，如下图5 2 所示。反射镜F 3 物体半反半透镜图5 2 相移数字全息实验光路F i g 5 2E x p e r i m e n ts e t u pf o rp h a s e s h i f td i g i t a lh o l o g

46、 r a p h y将所研制的高分辨率空间光调制器置于参考光路，日仃后偏振片的角度保持在前述最佳的相位调制状念时的值。实验巾物体为印有奥运图标的透明胶片，由于透射的光波很大连理丁大学硕士学位论文强，而液晶屏和前后偏振片对光波有较大的衰减作用，使得参考光波较弱，因此需用减光板和衰减片等对物光波做适当的衰减，使参考光和物光的强度接近，才能得到较清晰的干涉条纹和全息图。分别将相位改变0，F 2，由相位调制特性曲线找到对应的扶度值，通过、，L A T L A B程序编制出相应的灰度图像，将其分别加载于P C I 上，由C C D 记录下相应的全息图参考光和物光信息，如图5 3 所示。实验中要注意保持周

47、围环境的稳定，尽量减少振动及其它噪声的影响。f e l(O幽63 数字全息图片(a)相穆为0 对应的灰度图(b)相移为z，2 对麻的灰度图(c)相移为0 时的全息削(d)相移为口2 时的全息倒(e)物光(f)参考光F i g53T h e p i c t u r e so f d i g i t a lh o l o g r a p h y e x p e r i m e n t(a)G r a y p i c m r e i nP h a s e-s h i f t i n ge q u a l s 0(h)O r a yp i c t u r e i nP h a s e s h i f

48、t i n g e q u a l sF 2(c)H o l o g r a p h p i c t u r e i nP h a s e-s h i f t i n ge q u a l s 0(d)H o l o g r a p hp i c t u r e i nP h a s e-s h i f t i n g e q u a l sF 2(曲O b j e c tb e a m(DR e f e r e n c e b e a m圜豳基坌竖奎丝塑竺望曼兰堕垄塑型壁盟婴墨上述图像均以矩阵的形式存储于计算机中，根据式(51 2)，通过简单的矩阵运算就可以得到物光波的复振幅分布，利用菲涅耳

49、衍射积分公式，通过M A T L A B 程序求得再现像的复振幅分靠进而得到原物体的像。最终得到的物体的数字全息再现像如图5 4所示。黯图54 数字全息再现象F i g5 AD i g i t a l h o l o g r a p h i c i m a g er e c o n s i r a c t e d由结果可知，所研制的空间光调制器作为相移器件能够得到比较清晰的再现象，表明该调制器能够准确的改变光波的相移量，并可以应用于一般实验室条件下的图像信息处理等系统同时也表明了高分辨率液晶空间光调制器在数字全息等领域的应用价值。大连理工大学硕+学位论文结论空间光调制器在光信息处理等领域有着广

50、泛的应用。随着信息处理技术的不断发展，对处理系统的处理能力有了更高的要求，对于纯相位液晶空问光调制器而言，提高分辨率是十分必要的。利用高分辨率的商用投影仪液晶屏来研制纯相位液晶空间光调制器，可大大降低成本。本文重点阐述了高分辨率液晶屏的驱动电路设计和改进以及对高分辨率空间光调制器进行调制特性测量，取得的一些进展归纳如下：(1)在前人的基础上，从琼斯矩阵理论、液晶电光特性及薄膜场效应管液晶屏驱动等方面分析了电寻址液晶空间光调制器实现振幅及相位调制的原理，为后面的研制等工作奠定了理论基础。(2)利用S O N Y 公司的L C X 0 2 3 C M T 型商用投影液晶屏研制了高分辨率的纯相位液晶